声速测量#.doc

声速的测量 在弹性介质中，频率从20Hz到20kHz的振动所激起的机械波称为声波，高于20kHz，称为超声波，超声波的频率范围在2×104Hz-5×108Hz之间。超声波的传播速度，就是声波的传播速度。超声波具有波长短，易于定向发射等优点，在超声波段进行声速测量比较方便。 超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这些物质中的声速来解决。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。 本实验用压电陶瓷超声换能器来测定超声波在空气中的传播速度，它是非电量电测方法的一个例子。   实验原理 由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f λ，只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）测量。下图是超声波测声速实验装置图。   n        驻波法测波长 由声源发出的平面波经前方的平面反射后，入射波与发射波叠加，它们波动方程分别是： 叠加后合成波为： y = ( 2Acos2pX/l ) cos2p ft cos2pX/l = ±1 的各点振幅最大，称为波腹，对应的位置： X =±nl/2 ( n =0,1,2,3……) cos2pX/l = 0 的各点振幅最小，称为波节，对应的位置： X = ±(2n+1)l/4 ( n =0,1,2,3……) 因此只要测得相邻两波腹（或波节）的位置Xn、Xn-1即可得波长。 n        相位比较法测波长 从换能器S1发出的超声波到达接收器S2，所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差：j = 2px/l其中l是波长，x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时，相位差就改变2p。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。   实验重点 n        了解超声波的发射和接收方法。 n        加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。 n        掌握用驻波法和相位法测声速。   注意事项 n        确保换能器S1和S2端面的平行。 n        信号发生器输出信号频率与压电换能器谐振频率f 0保持一致。   参考资料 1．  赵凯华，陈熙谋 《电磁学》 高等教育出版社 2．  马文蔚等 《物理学教程》 高等教育出版社 3．  谢行恕，康士秀，霍剑青 《大学物理实验》 高等教育出版社 4．  陆廷济，胡德敬，陈铭南 《物理实验教程》 同济大学出版社 <完>